高壓柔性直流輸電在電網中的應用

黃紅荔+黃朵

（福建電力職業技術學院，福建 泉州 362000）

摘要：隨著電網技術的發展，直流輸電技術在電網中的應用日益增加，尤其是近年柔性直流輸電技術（VSC-HVDC）的發展，使得電網輸電逐漸呈現交流與直流并存的格局。本文對高壓柔性直流輸電在電網中的應用進行論述，以闡明當前電網中柔性直流輸電的發展前景。

關鍵詞：直流輸電技術；柔性直流輸電；應用

中圖分類號：F416.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）52-0251-02

一、引言

上世紀90年代柔性直流輸電技術開始出現，并得到較快的發展。1997年瑞典的“赫爾斯揚工程”試驗成功，標志著柔性直流輸電技術開始從理論走入試驗驗證中。1999年至2000年期間，澳大利亞和丹麥的柔性直流輸電工程的建成標志著柔性直流輸電技術正式開始走向實際應用[2]。我國柔性直流輸電技術示范工程開始于2008年。2008年12月“柔性直流輸電關鍵技術研究與示范工程”作為國家電網公司的重大科技專項正式啟動。2014年世界上首個五端柔性直流輸電工程，由國家電網公司中國電力技術裝備有限公司總承包的“浙江舟山±200千伏五端柔性直流輸電示范工程”正式投產運行。2015年12月廈門“福建廈門±320千伏柔性直流輸電科技示范工程”正式投運，標志著我國已經掌握了高壓大容量柔性直流輸電關鍵技術和工程成套應用的能力，實現了柔性直流輸電技術領域的國際引領，讓世界柔性直流輸電技術向前邁進一大步。柔性直流輸電是以IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、IGCT（集成門極換流晶閘管）、GTO（可關斷晶閘管）等器件構成電壓源換流器，采用了脈寬調制（PWM）等技術的一種直流輸電技術。柔性直流輸電具有能夠給無源網絡供電、換相基本不會失敗、換流站間無需通信以及容易構建多端直流系統等優點[1]。柔性直流輸電是相對于傳統基于晶閘管的電流源型直流輸電的一種說法，因為它運行方式更靈活、系統的可控性更好，因此才被稱為柔性直流輸電。在電力電子技術快速發展的今天，柔性直流輸電在解決遠距離大容量輸電、分布式電源接入以及特大型交直流混合電網疑難問題起到重要作用[2]。因此在世界各國都在大力地研究和推廣應用，成為當今電網技術研究的熱點方向。本文對高壓柔性直流輸電在電網中的應用進行論述，以闡明當前電網中柔性直流輸電的發展前景。

二、柔性直流輸電在電網中的應用

根據統計目前世界范圍內大約有建成或在建柔性直流輸電工程三十多項[2]，在這三十多項柔性直流輸電工程中有的是用于分布式電源并網（主要是風電和太陽能），有的是應用于特大城市中心大容量供電（增容），有的是用于異步獨立電網的互聯，有的是應用于電網電能質量的優化，有的是用于海上孤島或平臺供電，有的是用于電力市場互聯交易以及實現多端直流互聯。

因此可將柔性直流輸電系統在電網的應用歸納為以下幾點。

1.用于分布式電源并網。分布式電源直接接入交流電網由于存在單機容量小、受環境影響大、具有波動性和間歇性等特點，難以實現有效調度。這些分布式電源主要包括微型燃氣輪機、小型風力發電機、燃料電池或光伏電池、沼氣發電和儲能設備等。

通過柔性直流輸電就地接入或通過陣列式布局使得容量達到一定規模再接入電網，使得電網調度的難題得到較好的解決。同時也可以消除因為分布式電源電壓支承能力弱，對系統運行和電能質量等帶來的不利影響。目前主要應用在風電及太陽能的并網。

2.應用于特大城市中心大容量供電。在經濟飛速發展的今天，城市電網負荷日益增長，且對電能質量的要求也日漸提高。雖然近年經濟增速放慢，但是城市電網負荷整體還是處于上升的趨勢。城市大容量的交流輸電帶來很多的問題，如輸電走廊的問題、用電負荷和供電容量增加帶來的短路電流過大的問題、線損問題和城市環保問題等，尤其是在一些特大型城市這些問題更加突出。柔性直流輸電具有線路走廊占地面積小、能夠限制線路短路電流、線損相比交流電小等優點，可以有效解決大城市中心大容量供電帶來的問題。

3.用于異步獨立電網的互聯。柔性直流輸電不存在同步穩定性問題，因此可以在兩個獨立電網之間的互聯上應用。柔性直流輸電能夠應用于多個相同或不同頻率的電網互聯，構成一個更大區域電網；柔性直流輸電控制和調節速度快，因此在電網與電網之間一方面可以進行有功潮流輸送，緊急無功支撐，對電網可靠性提供強有力的保證；另一方面，柔性直流輸電可以將多個電網互聯，同時隔離各電網之間故障，防止電網故障的蔓延進一步惡化。

4.應用于電網電能質量的優化。柔性直流輸電在提高電力系統穩定性，增加系統動態無功支撐，改善電能質量，解決非線性負荷、沖擊性負荷和三相不平衡等產生的問題，保障敏感設備供電等方面都具有較好的效果。柔性直流輸電技術可以同時且獨立地控制有功功率和無功功率，控制更加靈活方便。柔性直流輸電可以不需要交流側提供無功功率，就能夠起到STATCOM的作用，實現動態補償交流母線的無功功率，穩定母線電壓。柔性直流輸電可以提供動態無功功率支撐，能夠有效解決潮流波動、電壓閃變和頻率不穩定的問題，改善了電能質量。

5.用于海上孤島或平臺供電。在離電網較遠的油田、鉆井、海島等孤立區域，如果直接采用交流線輸電成本往往會比較高甚至不可能實現。因此在這些距離較遠的孤立地區往往是自己發電，如海島風力條件較好可以采用風力發電或是海上平臺采用燃油發電等，這些發電方法的建設維護成本都會比較高。利用柔性直流輸電的輸電成本低的特點將這些孤立的負荷通過柔性直流輸電系統和電網相連，可以降低供電成本。另一方面通過柔性直流輸電實現孤島供電對緩解土地資源緊缺、充分利用資源意義重大。采用柔性直流輸電可在保證電力系統穩定的前提下，通過環流技術將不同頻率的交流電轉化為直流，用于實現兩個交流系統的互聯；通過對自身電流的快速控制，有效限制互聯系統的短路容量[4]。

6.用于電力市場互聯交易以及實現多端直流互聯。在全能源互聯網的大背景下，區域電網互聯和洲際電網互聯很有必要，以實現各大電網之間的相互聯系，實現全球電力市場互聯交易，增加了整體參與電力市場中供電商的數量。柔性直流輸電因為其在電網互聯同步穩定性上的優勢在電力市場互聯交易、實現全球互聯網具有較大的應用空間。另外柔性交流輸電在潮流反轉時，直流電流方向反轉而直流電壓極性不變，這個特點有利于構成既能方便地控制潮流又有較高可靠性的并聯多端直流系統[4]。

三、總結

在經歷一個多世紀的演變，似乎直流電開始逐漸崛起。現代電子技術的發展，使得很多的用電設備開始轉向使用直流電，如我們的電腦、LED燈和手機等電子產品在現在都需要將交流電轉換成直流電以供電子元件使用才能正常工作。作為現代清潔能源發電技術的典型代表太陽能發電，目前大多數的是通過光伏板將太陽能轉換成直流電能輸出，然后再通過逆變器轉變成交流電能供給設備使用。如果未來的設備使用直流電就不需要進行逆變器的轉換過程。隨著電動汽車的出現，直流用電將會在未來的用電領域占很大的比例。為了節能我們可以直接將直流電傳輸給使用直流電的設備，而不用途中轉換為交流，就有可能避免每次交直流轉換中都要產生的巨大能量損失。在現代電網中柔性直流輸電系統在新能源并網和消納、異步聯網、孤島供電、遠距離輸電等眾多方面將會發揮越來越重要的作用。柔性直流輸電技術的應用已經使多端直流輸電系統成為現實，還將進一步促進直流電網的形成，隨著全控型電力電子開關器件、高壓直流開關、直流電纜研發制造水平的不斷提高，以及控制保護技術的進步，預計未來5到10年我國將迎來柔性直流輸電工程建設快速發展時期，世界范圍將有望建成以柔性直流輸電為基礎，500千伏及以上等級的區域性直流電網。

而未來的電網可能再次出現交流輸電與直流輸電相互爭雄的格局，也會出現交直流輸電相互補充、相互兼容的情況。

參考文獻：

[1]金志明.我國第一個高壓柔性直流輸電工程[A].上海市老科學技術工作者協會第十屆學術年會論文集[C].2012.

[2]馬為民，吳方劼，楊一鳴等.柔性直流輸電技術的現狀及應用前景分析[J].高電壓技術，2014，40（8）.

[3]胡航海，李敬如，楊衛紅等柔性直流輸電技術的發展與展望[J].電力建設，201l，32（5）：62-66.

[4]王偉，安森.柔性高壓直流輸電綜述[J].沈陽工程學院學報（自然科學版）.2011，07（3）：235-238.